超宽带室内定位关键技术

超宽带信号的高时间分辨率特性非常适合用于室内场景下的精确定位。本文回顾了超宽带系统位置估计问题,首先介绍了UWB定位系统的特点,然后给出了定位基本原理,指出了超宽带定位系统设计中面临的两个重要挑战,分别是超宽带信号采样问题和到达时间参数估计问题,应用压缩感知理论解决这些问题并给出了最新研究成果,最后描述了一种精密实时的UWB商用定位系统。     

一种脉冲超宽带测距的门限选择算法

多径衰落和接收机系统噪声是影响脉冲超宽带(IR-uwB)测距精度的主要因素.在能量检测过程中,能否在干扰下准确估计IR-uwB信号的首径到达时间(TOA),是开展IR-UWB测距研究的重点和难点.鉴于此,为提高测距精度,提出一种IR-UWB测距的门限选掸算法.首先建立接收机输出信号统计特性与UWB信道衰减特性的关系式,使用全概率公式推导出TOA估计均方误差(MSE)闭合表达式,给出估计误差与多径衰减系数以及信噪比(SNR)等系统参数的严密数学表达,以最小均方误差为性能指标的门限选择算法进行仿真.仿真结果表明,改进算法可提高IR-UWB测距的性能,使测距精度达到30cm,证明是一种有效的门限选择算法.     

新的超宽带两步快速捕获方法

为了提高超宽带信号同步捕获的速度同时又能降低复杂度,提出一种新的超宽带"能量检测+搜索"两步同步捕获方法,分析了同步捕获过程,并对捕获时间进行了推导.通过仿真,表明新方法的平均捕获时间优于已有的算法.     

基于UWB的无线传感器网络中的两步TOA估计法

为了设计一种以较小运算量获得较高测距精度的TOA(time of arrival)估计算法以适合节点运算能力有限的UWB(ultra wideband)无线传感器网络,提出了一种结合能量检测与匹配滤波的两步TOA估计方法.分析了该方法的工作原理,指出了第1步中DP(direct path)块检测成功率及第2步中匹配滤波门限因子设置的重要性.通过仿真对影响DP块检测成功率的两个因素,即DP块检测算法的选用和能量积分周期的设置进行了讨论.提出了依据能量采样序列中DP块与最小块比值DMR(DP to minimum energy sample ratio)动态设置匹配滤波门限因子的思想,并为其建立了数学模型.仿真结果表明,两步TOA估计方法在运算量比单一的基于匹配滤波的相干算法小很多的情况下,获得了比单一的基于能量检测的非相干方法更好的TOA估计性能,从而更适合应用于有低复杂度、低能耗设计需求的传感器节点中.     

基于改进双向测距到达时间差定位算法的超宽带定位系统

针对传统无线定位技术在室内定位精度不高的问题,设计实现了一种基于超宽带（UWB）技术的室内定位系统。首先,提出了定位服务器与移动端APP实时交互的系统结构,解决室内移动人员自主定位与导航的问题。其次,在双向测距（TWR）算法中增加一条无线电信息以减小时钟偏移引起的测距误差,从而提高算法性能。最后,将通过到达时间差（TDOA）定位算法得到的双曲面方程组进行线性化处理后结合Jacobi迭代法完成求解,避免了使用标准TDOA定位算法难以直接解算的情况。经测试,该系统在楼道房间等场景中能稳定工作且定位误差控制在30 cm以内,相比基于WiFi、蓝牙等技术的定位系统在定位精度上提高了10倍左右,能够满足在复杂室内环境中的精确移动定位需求。     

无线传感器网络中基于超宽带的TOA/AOA联合定位研究

提出一种基于超宽带(ultra wideband,UWB)信号到达时间估计(time of arrival,TOA)/到达角度估计(angle of arrival,AOA)联合估计的无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)定位方案,只需要一个参考节点就可以实现对其他传感器节点的2D相对定位,并且不需要时钟同步,适合于传感器网络节点的低成本设计需求.利用往返时间(round trip time,RTT)进行TOA估计,给出了基于多径检测的TOA估计算法;利用到达时间差估计(time difference of arrival,TDOA)进行AOA估计,因而无需借助复杂的天线波束赋形技术.同时,分析了定位误差模型对定位性能的影响,并通过IEEE802.15.4a信道下的仿真实验进行了验证,结果表明了所提方案的有效性.     

基于自相关算法的 TOA 估计方法研究

TOA（脉冲到达时间）估计是检测和截获非合作突发通信信号的关键,在通信对抗中至关重要。在介绍基于自相关（AC）算法 TOA 估计原理的基础上,讨论了在低信噪比情况下自相关算法的门限设置问题。采用双门限方法对门限设置进行了改进,并通过计算机进行了仿真分析和验证。     

超宽带无线信道品质因子估计方法

超宽带(UWB)技术被认为是最适合进行室内无线定位的技术,IEEE802.15.4a是IEEE第一个无线测距定位的物理层标准。为了让测距的发起者知道测距的质量,在协议中增加了品质因子（FoM）,但是如何产生FoM却没有给出规定。在对接收信号能量块的统计特征进行分析的基础上提出了一种应用在超宽带无线信道中基于偏度和最大斜率联合参数的对信道品质因子进行估计的方法。仿真发现,使用该方法可以为精确的测距定位提供参考,在CM1(Channel Model)信道下可以提高30%左右的定位精度。     

基于主成分分析的UWB信号的TOA估计算法

提出了利用主成分分析法估计信号在超宽带(UWB)系统中的波达时间（TOA）的算法。算法先对带有噪声的接收信号的相关矩阵进行主成分分析，求出信号特征值对应的特征向量，然后把接收信号分别投影到上述的各个信号特征向量上，求投影之和。通过设置复杂度和采样频率较低的阈值，比较了主成分分析法和MEP算法的时延估计精度。仿真结果表明，主成分分析法时延估计误差小于12cm的概率大于90%，而MEP算法的概率小于45%。     

UWB无线传感器网络中基于匹配滤波检测的TOA估计

深入研究了UWB(ultra wideband)无线传感器网络中基于匹配滤波门限检测的TOA(time of arrival)估计算法.针对现有算法的不足,提出了一种三步TOA估计算法:先确定DP(direct path)搜索区域,然后使用门限检测确定DP的粗略位置,最后精确搜索到DP的中心.其中,用于计算检测门限的门限因子依据匹配滤波输出的峭度动态设置,设置模型独立于信道模式,其正确性通过与使用固定门限因子所获得的性能对比进行了验证.与其他算法的性能对比仿真结果表明,所提出的三步TOA估计算法在运算效率和TOA估计精度上取得了较好折衷,适合于当前实际应用.还通过对TOA估计误差的统计分析讨论了测距结果的可信度:依据峭度将测距结果划分为可信和不可信两个级别,并为各级别的TOA估计误差分别了建立概率密度模型.在定位模块中有效利用这些可信度信息,可进一步提高定位精度.     

基于UKF的UWB和GPS融合定位算法

智能汽车的发展对高精度定位需求日益显现. 针对汽车在城市建筑群、立交桥等特定环境下, 可见GPS卫星数量下降、车载GPS和惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)组合定位系统中IMU产生积累误差导致不能精确定位问题, 本文提出一种基于无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman ...     

基于IR-UWB的非相干TOA估计算法

针对UWB(Ultra wideband)测距系统中传统非相干TOA估计算法精度的不足,基于UWB脉冲信号,采用一种基于能量采样序列的最大最小值比MMR进行归一化门限设置的TC算法,建立了以MMR为参量适合于办公室信道环境的最优归一化门限的计算模型.同时模型中还考虑了能量积分周期的影响,使得模型无须更动即可应用到较大范围的积分周期取值情况下,增强了模型的灵活性,与传统非相干TOA估计算法的性能对比表明MMR_TC算法可以获得更高精度.     

DGPS与UWB混合精确无缝定位技术研究

差分全球定位系统(DGPS)是一种精确的定位系统,但在室内或有障碍物的情况下,其定位精度很低甚至不能进行定位。超宽带(UWB)定位系统在室内有很高的定位精度,但受其测量范围的影响,不适合室外定位。将DGPS和UWB结合定位,利用Kalman滤波器对UWB非视距误差(NLOS)进行消除,采用粒子滤波器对不同传感器进行数据融合,并使用GPRS通信模块进行无线数据传输。实验表明:该方法能够使系统整体定位精度提高19%,既能满足室内外无缝定位,又具有很高的定位精度。     

一种基于卡尔曼滤波的超宽带室内定位算法

为了减小室内环境中障碍物对超宽带(UWB)传感器测距结果的影响,提出了一种基于卡尔曼滤波(KF)的超宽带室内定位算法.利用超宽带接收信号的信噪比区分视距和非视距环境,给出了超宽带传感器测距性能最小二乘标定模型,减小测距系统误差;判断相邻测距差分是否在阈值范围内,否则用卡尔曼滤波先验估计替代后验估计处理测距结果,由此减弱多径效应和非视距误差对测距的影响;用扩展卡尔曼滤波器(EKF)实现室内定位.实验结果表明:算法在复杂室内环境中可达到亚米级的动态实时定位精度.     

模拟延迟脉冲锁相环的简单非相关TOA估计研究

在基于平方率的能量检测脉冲超宽带通信系统中,采用了较简单的模拟脉冲锁相环实现脉冲信号的同步和到达时间( TOA)的估计.提出了利用模拟延迟锁相环(ADLL)构建一种精确度高、实现简单的TOA估计算法;并对该算法性能进行了分析.仿真验证了该方法的有效性,并解决了在非视距( NLOS)环境下的精确测距问题.     

室内旋转相对定向算法

为了在无基础设施部署的环境下,实现有效、准确的相对定位,提出了以超宽带信号传播时间（time ofarrival,简称TOA）测距为基础的旋转定向算法.围绕人体旋转无线接收设备,可模拟定向天线的灵敏度和功能.在旋转中,障碍物遮挡会在理论上造成最大的测距误差,从而可以确认目标发送设备相对接收设备的方向.但是,由于室内的复杂环境、多径效应、人体遮挡等因素,使得TOA测距产生较大的测距误差且误差分布是非高斯的.因此,相对于定向算法实际上是模板匹配的算法,在3种典型的模板匹配算法的基础上,实现了二次匹配算法,并对二次匹配中的关键参数进行了最优取值的分析,实现了高精度的水平方向检测,定向精度达到了正负4度,准确度相对于单匹配方法提高了9%.     

超宽带双极性脉冲间隔调制

针对普通脉冲调制的不足,在已有的超宽带脉冲调制研究基础上,提出了一种改进的双极性脉冲间隔调制的UWB跳时调制方案,详述了信号构建过程,并对它的带宽需求、误码率、最大可靠通信距离等性能指标进行了理论分析。理论和实验仿真数据表明,与PPM、PIM、OOK相比,APIM能够大幅度地提高带宽利用率,是PPM的两倍以上;在误码率方面要优于OOK方式,并能在低误码率的情况下确保可靠通信距离。结论表明,APIM调制是UWB系统设计的良好候选方案。